DE4213423A1 - Bipolartransistor mit isolierter steuerelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bipolartransistor und insbesondere einen Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), welcher zum Schalten hoher elektrischer Leistungen verwendbar ist.

Es ist bekannt, daß ein IGBT eine isolierte Steuerelektrode (Gate) aufweist, mit der die Funktion des Bipolartransistors gesteuert wird. Der IGBT ist gegenüber einem Bipolartransistor dadurch charakterisiert, daß er eine höhere Eingangsimpedanz aufweist und gegenüber einem Feldeffekttransistor dadurch, daß er im eingeschalteten Zustand einen niedrigeren Widerstand aufweist. Aufgrund dieser Kennzeichen wird der IGBT allgemein als separates Bauteil anerkannt, das zum Schalten großer elektrischer Leistungen vorteilhaft ist und daher für verschiedene industrielle Anwendungen eingesetzt wird. Im folgenden wird zur Einführung unter Bezugnahme auf Fig. 4 die typische Struktur eines bekannten IGBT exemplarisch beschrieben.

In Fig. 4 ist eine strukturelle Einheit eines IGBT mit einem Gate als zentralem Teil dargestellt. Tatsächlich ist der IGBT so konstruiert, daß er als zusammengesetzte Struktur verwendet wird, wobei die dargestellte strukturelle Einheit fortlaufend eindimensional oder zweidimensional kombiniert wird. Ein Halbleitersubstrat 10, das als Chip oder Wafer für einen IGBT eingesetzt wird, ist so aufgebaut, daß eine dünne Schicht 2 mit einer hohen Verunreinigungsdichte von einem n-Typ und eine dicke Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 aufeinanderfolgend auf einem Drainbereich aus einem p-Typsubstrat des Halbleitersubstrats 10 durch epitaktisches Aufwachsen oder ähnliche Methoden aufgetragen werden.

Ein Gate 20 aus polykristallinem Silizium oder dergleichen ist als sehr dünne Isolationsschicht 21, wie beispielsweise als Gateoxidschicht oder dergleichen, aufgetragen. Die Isolationsschicht 21 ist auf der Oberfläche des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 des Halbleitersubstrats 10 so aufgetragen, daß das Gate 20 ein Fenster aufweist. In den entsprechenden Fenstern wird mit dem Gate 20 als Maske eine p-Typ-Schicht 30 zur Bildung eines Kanals eindiffundiert, wobei die den Kanal bildende Schicht 30 auch unter das Gate 20 wächst, d. h., sich unterhalb der Kanten des Gates 20 erstreckt. In die Kanal bildende Schicht 30 wird eine n-Typ-Sourceschicht 40 eindiffundiert, wobei diese eine hohe Verunreinigungsdichte aufweist und das Gate 20 einen Teil der Maske bildet, so daß die Randbereiche der Sourceschicht 40 sich etwas unter das Gate 20 erstrecken. Im allgemeinen wird ein Abschnitt 31 mit einer hohen Dichte im Zentralbereich der Kanal bildenden Schicht eindiffundiert.

Darauffolgend wird das Gate 20 mit einer Isolierschicht 51 aus Phosphorsilikatglas oder dergleichen überdeckt. Dann wird eine leitfähige Elektrodenschicht 52 aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 aufgebracht, die die Kanal bildende Schicht 30 in den Fenstern der Isolationsschicht 51 kontaktiert. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 wird eine ähnliche, leitfähige Elektrodenschicht 53 in Kontakt mit dem Drainbereich 1 aufgebracht. Ein Sourceanschluß S erstreckt sich von der Elektrodenschicht 52, und ein Drainanschluß D erstreckt sich von der Elektrodenschicht 53. Außerdem erstreckt sich ein Gateanschluß G von dem Gate 20 in einem Abschnitt außerhalb des Schnitts aus Fig. 4.

Ein IGBT mit der Struktur gemäß Fig. 4 wird wie folgt eingesetzt. Eine positive Schaltkreisspannung wird an den Drainanschluß D angelegt. Ist der IGBT ausgeschaltet, wird die Schaltkreisspannung durch eine sich von dem p/n-Übergang zwischen der Kanal bildenden Schicht 30 und der Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 erstreckende Verarmungsschicht hauptsächlich in die Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 getragen. Wird eine Steuerspannung zwischen Sourceanschluß S und Gateanschluß G angelegt, wobei eine positive Spannung am Sourceanschluß S anliegt, leitet ein n-Kanal CN auf der Oberfläche der p-Typ-Kanal bildenden Schicht 30. Dieser ist unterhalb des Gate 20 angeordnet, wobei Elektronen aus der Sourceschicht 40 in den Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 eintreten. Als Ergebnis nimmt die Leitfähigkeit der n-Typ Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation durch die folglich zugeführten Ladungsträger schnell zu. Dadurch wird ein npn-Transistor eingeschaltet. Dieser weist die Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 als n-Typ Basis, die Kanal bildende Schicht 30 als p-Typ Emitter und die Drainschicht 1 als einen p-Typ Kollektor auf, so daß ein Bereich zwischen dem Drainanschluß D und dem Sourceanschluß S existiert, der im eingeschalteten Zustand mit einer niedrigen Einschaltspannung leitet. Wird die am Gateanschluß G angelegte Spannung aufgehoben, wird ebenfalls das Laden von Ladungsträgern in die Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 gestoppt, wobei der Basisstrom des oben erwähnten npn-Transistors unterbrochen und dadurch ausgeschaltet wird, so daß der IGBT in seinen ursprünglichen ausgeschalteten Zustand zurückkehrt.

Der vorstehend erwähnte IGBT kann durch eine an das Gate 20 angelegte Spannung ein- und ausgeschaltet werden, so daß er eine viel höhere Eingangsimpedanz als ein Bipolartransistor aufweist. Im leitfähigen Zustand weist der IGBT eine Einschaltspannung von mehreren Volt auf, die nahezu gleich der Einschaltspannung eines Bipolartransistors ist. Das heißt, daß die Einschaltspannung eines IGBT viel niedriger als bei einem Feldeffekttransistor ist. Allerdings benötigt der IGBT eine relativ lange Ausschaltzeit. Wird der IGBT für viel höhere Spannungen konzipiert, wird die Ausschaltzeit viel länger und die Einschaltspannung nimmt zu.

Mit anderen Worten, wenn der IGBT für höhere Spannungen konzipiert ist, ist es notwendig, die Dicke der Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 zu erhöhen, in die sich die Verarmungsschicht erstreckt, wenn der IGBT ausgeschaltet ist. Insbesondere erfordert es beim Ausschalten des IGBT eine entsprechende Zeitdauer für die Verarmungsschicht, um sich in die Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 zu erstrecken, wodurch die Ausschaltzeit entsprechend länger wird. Außerdem wächst die Einschaltspannung an, auch wenn der IGBT eingeschaltet ist. Bei einer bekannten Technik wird die Rekombination der Ladungsträger im ausgeschalteten Zustand dadurch unterstützt, daß ein Atom wie Gold oder dergleichen oder Kristalldefekte durch Elektronenbestrahlung angewendet werden. Allerdings erfordert eine solche lebenszeitverkürzende Technik, daß die Ladungsträger in der Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 auch im Einschaltzustand rekombinieren und dadurch die Leitfähigkeitsmodulation in der Schicht 4 schwächen.

Dies führt zu einer verminderten Leitfähigkeit der Schicht 4 und folglich zu einem Anwachsen der Einschaltspannung.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen IGBT bereitzustellen, der für erhöhte Spannungen verwendbar ist, ohne Beeinflussung seiner Schaltgeschwindigkeit und der Einschaltspannung.

Zur Lösung der Aufgabe umfaßt die Erfindung einen IGBT mit einem Halbleitersubstrat, das einen Drainbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Bereich mit hoher Verunreinigungsdichte, einen Bereich mit einer niedrigen Verunreinigungsdichte und einen Leitfähigkeitsmodulationsbereich entsprechend mit dem anderen Leitfähigkeitstyp aufweist, die nacheinander übereinander aufgetragen sind. Weiterhin weist der IGBT ein auf einer Isolationsschicht auf der Oberfläche des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs aufgetragenes Gate auf und eine Kanal bildende Schicht eines Leitfähigkeitstyps und eine Sourceschicht des anderen Leitfähigkeitstyps, die entsprechend von der Oberfläche des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs eindiffundiert sind, wobei deren Randabschnitte sich unter die Gatekanten erstrecken. Weiterhin erstreckt sich von dem Drainbereich ein Drainanschluß, von der Kanal bildenden Schicht und der Sourceschicht ein Sourceanschluß und vom Gate ein Gateanschluß.

Die Verunreinigungsdichte des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte kann auf die Hälfte oder weniger, vorzugsweise 1/10 oder weniger, der Verunreinigungsdichte des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs reduziert werden. Die Dicke des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte beträgt 20 bis 50%, vorzugsweise 25 bis 35%, der Summe der Dicken des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs. Die geringste Dicke des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte beträgt beispielsweise 5 µm.

Gemäß der Erfindung wird durch Ersetzen eines Teils des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs durch den Bereich mit niedriger Verunreinigungsdichte die interne elektrische Feldintensität durch Reduktion der Verunreinigungsdichte des Halbleiterbereichs anwachsen. Auf diese Weise kann die zulässige Spannung für den IGBT bei gleicher Dicke des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs wie beim Stand der Technik angehoben werden und zur gleichen Zeit die Einschaltspannung im Vergleich zur dem Fall, in dem die Dicke des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs zum Erzielen einer höheren maximalen Spannung erhöht wird, reduziert werden. Wie bekannt ist, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der pn-Verbindungsoberfläche zwischen der Kanal bildenden Schicht und dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich, wenn der IGBT ausgeschaltet wird. Da gemäß der Erfindung die Verarmungsschicht sich in einfacher Weise in den Bereich mit niedriger Verunreinigungsdichte erstreckt, aber in dem Bereich mit hoher Verunreinigungsdichte aufgehalten wird, erstreckt sich die Verarmungsschicht schnell von dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich durch den Bereich mit niedriger Verunreinigungsdichte in dem Bereich mit hoher Verunreinigungsdichte, wodurch die Ausbreitungszeit der Verarmungsschicht verkürzt wird. Dies entspricht der Zeit, während der ein Strom zum IGBT im Abschaltzustand fließt, wodurch gemäß der Erfindung die Ausschaltzeit des IGBT oder der Ausschaltverlust reduziert wird.

Es sei angemerkt, daß die vorstehende, allgemeine Beschreibung und die folgende, detaillierte Beschreibung exemplarisch sind und die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.

Im folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutern und beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Struktureinheit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen IGBT;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Charakteristik des erfindungsgemäßen IGBT nach Fig. 1 im Vergleich zu einem bekannten IGBT, wobei der Schaltverlust in Abhängigkeit von einer Spannung dargestellt ist;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der maximalen Spannung des IGBT nach Fig. 1 im Vergleich zu einem bekannten IGBT und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Struktureinheit eines bekannten IGBT.

Im folgenden werden gleiche Teile oder analoge Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt einer Struktureinheit eines erfindungsgemäßen IGBT. In Fig. 2 ist der Ausschaltverlust und in Fig. 3 die maximale Spannung des IGBT aus Fig. 1 dargestellt.

Der IGBT gemäß Fig. 1 weist ein Halbleitersubstrat 10 auf, wobei ein Bereich des Halbleitersubstrats 10 als Drainbereich 1 dient, der durch Dotieren des Substrats mit einer Verunreinigung vom p-Typ mit einer Verunreinigungsdichte von etwa 10¹⁹ Atomen/cm³ gebildet wird. Ein Bereich 2 mit einer hohen Verunreinigungsdichte eines n-Typs mit einer Verunreinigungsdichte von etwa 10¹⁸ Atomen/cm³ weist eine Dicke von 5 µm auf. Ein Bereich 3 mit einer niedrigen Verunreinigungsdichte vom n-Typ mit einer Verunreinigungsdichte von in etwa 2×10¹³ Atomen/cm³ ist mit einer Dicke von 20 µm aufgetragen. Ein Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Verunreinigung vom n-Typ und einer Verunreinigungsdichte von in etwa 2×10¹⁴ Atomen/cm³ wird mit einer Dicke von 50 µm aufgetragen. Die Bereiche werden aufeinanderfolgend durch epitaktisches Wachsen aufgetragen. Die angegebenen Dicken des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 entsprechen einer Arbeitsspannung im Schaltkreis von in etwa 600 Volt.

Der übrige Aufbau der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung entspricht dem eines bekannten IGBT. Mit anderen Worten, wird eine Isolationsschicht 21, wie eine Gateoxidschicht oder dergleichen, mit einer Dicke von ungefähr 0,1 µm auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 benachbart zum Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 aufgetragen. Ein Gate 20, wie beispielsweise polykristallines Silizium, wird mit einer Dicke von ungefähr 0,5 µm auf der Isolationsschicht 21 aufgetragen, wobei deren Muster verschiedene Fenster aufweist. Einen Kanal bildende Schicht 30 vom p-Typ mit einer Verunreinigungsdichte von 2×10¹⁷ Atomen/cm³ wird beispielsweise bis zu einer Tiefe von 5 µm in jedes Fenster eindiffundiert. Das Gate 20 dient als Maske, wobei die peripheren Kanten des Kanal bildenden Bereichs 30 sich unter das Gate 20 erstrecken.

Ein Sourcebereich 40 vom n-Typ mit einer hohen Verunreinigungsdichte von ungefähr 10²⁰ Atomen/cm³ oder mehr wird beispielsweise bis zu einer Tiefe von 0,5 µm oder weniger in die Kanal bildende Schicht 30 eindiffundiert, wobei das Gate 20 als Teil einer Maske so verwendet wird, daß die peripheren Kanten der Sourceschicht 40 sich etwas unter das Gate 20 erstrecken. Weiterhin kann der zentrale Abschnitt des Kanal bildenden Bereichs 30 mit einer Verunreinigungsdichte von 10¹⁹ Atomen/cm³ oder mehr diffundiert werden.

Ähnlich wie Fig. 4 ist das Gate 20 mit einer Isolationsschicht 51 überdeckt, und eine Elektrodenschicht 52 ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 aufgetragen. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats ist eine Elektrodenschicht 53 aufgetragen. Ein Sourceanschluß S, ein Drainanschluß D und ein Gateanschluß G erstrecken sich entsprechend von diesen.

Der IGBT gemäß der Erfindung wird normalerweise so verwendet, daß eine positive Schaltkreisspannung an den Drainanschluß D wie bei dem bekannten IGBT angelegt wird. Im ausgeschalteten Zustand des IGBT erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der pn-Übergangsoberfläche zwischen der Kanal bildenden Schicht 30 und dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 in den Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 und in den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte bis zum Bereich 2 mit hoher Verunreinigungsdichte. Da die Verunreinigungsdichten der beiden Bereiche ungefähr eine Größenordnung unterschiedlich sind, ist die angelegte Spannung des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte für jeweils 1 µm Dicke größer als die des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4. Daher wird durch Auswahl der Dicke des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte in der Größenordnung von 30% der Summe der Dicken der beiden Bereiche 3 und 4 die maximale Spannung des IGBT erhöht.

Bei dem erfindungsgemäßen IGBT wird die Ein-/Ausschaltoperation entsprechend durch eine an den Gateanschluß G angelegte Spannung gesteuert. Im eingeschalteten Zustand ist das Anwachsen der Einschaltspannung nur gering, während ein Strom durch den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte fließt, wodurch die Einschaltspannung vergrößert wird. Dabei beträgt die Dicke des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte die Hälfte oder weniger als die Summe der Dicken des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4. Ist die Dicke des Bereichs 3 ungefähr 30% der Summe, hat ein Anwachsen der Einschaltspannung nur einen geringen Effekt auf die Schaltoperation des IGBT.

Wird der erfindungsgemäße IGBT ausgeschaltet, wird die Ausschaltoperation durch den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte unterstützt. In einem Übergangszustand, in dem der IGBT vom Ein- in den Ausschaltzustand umgeschaltet wird, fließt ein Strom so lange weiter, wie die Verarmungsschicht sich im IGBT ausbreitet, auch nachdem ein Ladestrom unterbrochen ist und der Bereich des IGBT zwischen dem Drainanschluß D und Sourceanschluß S durch die Versorgungsspannung angeklemmt ist. Dies ist die Hauptursache für die verlängerten Schaltoperationen des IGBT, wenn dieser ausgeschaltet wird. Erreicht die sich ausbreitende Verarmungsschicht den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte von dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4, erstreckt sich die Verarmungsschicht sehr leicht in den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte. Folglich kann sich die Verarmungsschicht schnell bis zum Bereich 2 mit hoher Verunreinigungsdichte fortbewegen und beendet ihre Fortbewegung beim Erreichen des Bereichs mit hoher Verunreinigungsdichte. Daher beschleunigt der Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte die Ausbreitung der Verarmungsschicht, wodurch die Ausschaltzeit des IGBT verkürzt wird. Da allerdings der Bereich 3 mit niedriger Verunreinigung die Ausbreitung der Verarmungsschicht im Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 nicht unterstützen kann, wird gemäß der Erfindung im Halbleitersubstrat 10 ein Lebenszeitverkürzer für den Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 angeordnet.

In Fig. 2 ist grafisch die Verminderung der Ausschaltzeit durch den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte aufgrund des Schaltverlustes dargestellt. Die Ordinate stellt die Schaltverluste E des IGBT in mJ-Einheiten dar. Die Abszisse stellt die Einschaltspannung V des IGBT dar. Durch A gekennzeichnete kleine Kreise stellen Beispiele eines IGBT dar, der einen Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte mit einer Dicke von 20 µm und einen Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Dicke von 50 µm gemäß der Ausführungsform der Erfindung aus Fig. 1 aufweist. Der IGBT mit einer Einschaltspannung von 2 V ist ohne Lebenszeitverkürzer ausgebildet, während die IGBT mit den Einschaltspannungen von 3 Volt und 4 Volt so gebildet sind, daß Lebenszeitverkürzer mit entsprechender Dichte durch Elektronenbestrahlung in diesen erzeugt wurden.

Die Vergleichsproben B, die durch schwarze Kreise gekennzeichnet sind, entsprechen bekannten IGBT ohne einen Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte, aber mit einem Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Verunreinigungsdichte von 2×10¹⁴ Atomen/cm³ und einer Dicke von 70 µm. Entsprechend zum Vorstehenden ist eine Probe ohne einen Lebensdauerverkürzer ausgebildet, während die anderen beiden Proben einen solchen aufweisen. Die Proben C, die durch Quadrate gekennzeichnet sind, sind identisch in der Struktur mit den Vergleichsproben B, wobei jede der Proben C einen Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Verunreinigungsdichte von 2×10¹³ Atomen/cm³ gleich dem Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 aufweist. In Fig. 2 entsprechen die Werte des Schaltverlustes E und die Einschaltspannungen Vf-Werten, die bei einer Stromdichte des IGBT von 100 A/cm² erhalten werden.

Gemäß Fig. 2 ist der Schaltverlust E der Probe A nahezu gleich dem der Probe B des bekannten IGBT. In der Probe A ist ungefähr 30% der Dicke der Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 durch den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte ersetzt. In der Probe B ist der Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 nicht ersetzt. Der Schaltverlust E der Probe C ist gegenüber der erfindungsgemäßen Probe A relativ groß, wobei in der Probe C der gesamte Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 durch einen Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte ersetzt ist. Dies zeigt, daß nur ein Teil der Leitfähigkeitsmodulationsschicht 4 in vorteilhafter Weise durch den Bereich 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte ersetzbar ist.

In Fig. 3 sind grafisch jeweils 3 Proben der drei verschiedenen Proben A bis C entsprechend mit einer Einschaltspannung von 3 V dargestellt, die miteinander im Hinblick auf die maximale Spannung Vb verglichen werden. Die maximale Spannung Vb der Probe A des erfindungsgemäßen IGBT beträgt 800 bis 900 V. Dies ist nahezu gleich der Spannung bei der Probe C des bekannten IGBT mit einem Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Verunreinigungsdichte N von 2×10¹³ Atomen/cm³ und ist um ungefähr 300 Volt größer als die Spannung der Probe B des bekannten IGBT mit dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich 4 mit einer Verunreinigungsdichte von 2×10¹⁴ Atomen/cm³.

Nach den Fig. 2 und 3 ergibt sich bei den bekannten IGBT eine sogen. Kompromißlösung, bei der die Verunreinigungsdichte des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 zur Steigerung der maximalen Spannung reduziert wird und dadurch der Schaltverlust E oder die Einschaltspannung Vf anwachsen. Auch wenn die Dicke des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 anwächst, ergibt sich eine ähnliche Kompromißbeziehung. Im Gegensatz dazu wird ein solches Kompromißproblem bei dem erfindungsgemäßen IGBT gelöst, und die maximale Spannung Vf des IGBT wird erhöht ohne eine Erhöhung des Schaltverlustes E oder der Einschaltspannung Vf des IGBT.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verunreinigungsdichte des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte die Hälfte oder weniger von der des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 beträgt. Dabei ist es wünschenswert, wenn die Verunreinigungsdichten der beiden Bereiche voneinander um eine Größenordnung wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verschieden sind. Um die maximale Spannung des IGBT zu erhöhen, ist es im allgemeinen von Vorteil, daß ein hohes Verhältnis als Verhältnis von der Dicke des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte im Vergleich zur Summe der Dicken des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs 4 ausgewählt wird. Wird allerdings ein zu hohes Verhältnis ausgewählt, so ergibt sich gemäß Fig. 2 ein Anwachsen des Schaltverlustes des IGBT, wobei auch die Einschaltspannung ungünstig beeinflußt wird. Daher, auch wenn das Verhältnis von der Verunreinigungsdichte des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte abhängt, beträgt das Verhältnis 20 bis 50% und im Normalfall in vorteilhafter Weise 25 bis 35%. Da die Dicke des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte gemäß dem Wert der zu ereichenden maximalen Spannung des IGBT variiert, hat eine zu geringe Dicke keinen Effekt. Daher ist die geringste Dicke des Bereichs 3 mit niedriger Verunreinigungsdichte ungefähr 5 µm. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben ausgeführte Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann in verschiedenster Weise innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung abgeändert werden.

Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Wirkungen durch Ersetzen eines Teils des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs des bekannten IGBT durch einen Bereich mit niedriger Verunreinigungsdichte:

Durch Anwachsen der Feldstärke in dem Bereich mit niedriger Verunreinigungsdichte über den Wert der Feldstärke im Leitfähigkeitsmodulationsbereich kann die maximale Spannung des IGBT bei gleicher Dicke des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs wie bei einem vorbekannten IGBT erhöht werden.

Durch Beschleunigung des Ausweitens der Verarmungsschicht aufgrund des Bereichs mit niedriger Verunreinigungsdichte erstreckt sich der Verunreinigungsbereich schnell bis zum Bereich mit hoher Verunreinigungsdichte, wodurch die Ausschaltzeit oder der Verlust des IGBT reduziert werden kann.

Die Erfindung löst das Kompromißproblem bei einem vorbekannten IGBT, das in der Abhängigkeit von der Verunreinigungsdichte und der Dicke des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs und dem Schaltverlust und der Einschaltspannung des IGBT besteht. Daher wird eine höhere maximale Spannung des IGBT ohne ungünstige Beeinflussung der Schaltgeschwindigkeit und der Einschaltspannung erzielt.

Die vorstehend erwähnten Auswirkungen der Erfindung sind insbesondere vorteilhaft, wenn eine maximale Spannung von mehreren 100 Volt erforderlich ist. Die Verwendung von IGBT mit einer höheren Spannung wird ermöglicht, und dadurch wird der Anwendungs- und Verwendungsbereich der IGBT vergrößert.

Claims (5)

1. Ein bipolarer Transistor mit isolierter Steuerelektrode (IGBT) mit:
einem Halbleitersubstrat (10) mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche, wobei das Substrat umfaßt:
einen Drainbereich (1) vom ersten Leitfähigkeitstyp benachbart zur ersten Oberfläche;
einen Bereich (2) mit hoher Verunreinigungsdichte vom anderen Leitfähigkeitstyp, der auf dem Drainbereich (1) des Halbleitersubstrats aufgetragen ist;
einen Bereich (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte, der eine Verunreinigungsdichte geringer als der Bereich (2) mit hoher Verunreinigungsdichte aufweist vom anderen Leitfähigkeitstyp, welcher auf dem Bereich mit hoher Verunreinigungsdichte aufgetragen ist;
einen Leitfähigkeitsmodulationsbereich (4) vom anderen Leitfähigkeitstyp, der zwischen der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche und dem Bereich (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte angeordnet ist;
eine Isolationsschicht (21), die auf dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich (4) aufgetragen ist;
einem auf der Isolationsschicht (21) aufgetragenen Gate (20), welches auf dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich aufliegt;
wobei das Halbleitersubstrat (10) einen Kanal bildende Schicht (30) des ersten Leitfähigkeitstyps umfaßt, die auf dem Leitfähigkeitsmodulationsbereich (4) benachbart zur zweiten gegenüberliegenden Oberfläche aufgetragen ist und deren Kantenabschnitte sich unter die Kanten des Gates (20) erstrecken;
eine Sourceschicht (40) des anderen Leitfähigkeitstyps, die in die Kanal bildende Schicht (30) eindiffundiert ist und sich bis unter die Kanal bildende Schicht erstreckt, wobei ein Fenster unterhalb eines zentralen Abschnitts des Gates gebildet ist;
einem mit dem Drainbereich verbundenen und sich von diesem erstreckenden Drainanschluß (D);
einem mit dem Sourcebereich verbundenen und sich von diesem erstreckenden Sourceanschluß (S) und
einem mit dem Gate verbundenen und sich von diesem erstreckenden Gateanschluß (G).

2. Der Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungsdichte des Bereichs (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte nicht größer als ungefähr die Hälfte der Verunreinigungsdichte des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs (4) ist.

3. Der Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte eine Dicke im Bereich von 20 bis 50% der Summe der Dicken des Bereichs (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs (4) aufweist.

4. Der Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte eine Dicke im Bereich von 25 bis 35% der Summe der Dicken des Bereichs (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte und des Leitfähigkeitsmodulationsbereichs (4) aufweist.

5. Der Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (3) mit niedriger Verunreinigungsdichte eine Dicke von wenigstens 5 µm aufweist.